In der vorliegenden Arbeit wird die realistische Umsetzung der Raumschiffe aus "Guardians of the Galaxy“ analysiert. In zahlreichen Beispielen formuliert die Autorin Szenen aus den populären Marvel-Filmen in physikalischen Formeln und prüft die realistische Adaption, insbesondere in Bezug auf bereits etablierte Raumfahrttechnik.
Reisen zu fernen Planeten, Sternen und Galaxien - die Raumfahrttechnik in "Guardians of the Galaxy" scheint unerreichbar zu sein. Doch wo befindet sich die Grenze zwischen Science-Fiction und Ingenieurskunst? Wie wahrscheinlich ist es, dass wir die gezeigten technischen Errungenschaften konzipieren werden? Und sind diese aus physikalischer Sicht überhaupt denkbar? Was heute unmöglich scheint, kann morgen schon zur Realität werden, wie die rasante Entwicklung der Raumfahrt in den 1960er Jahren bewies.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Untersuchung des Raumschiffs Milano
2.1 Die Milano
2.2 Berechnung der 3. kosmischen Geschwindigkeit
2.3 Reale Umsetzung der Milano
2.4 Bestimmung des spezifischen Impulses
2.5 Ermittlung des Geschwindigkeitszuwachses
2.6 Flug von der Andromedagalaxie zur Milchstraße
3 Fazit für die technische Umsetzbarkeit
4 Material
5 Quellen
1 Einleitung
Reisen zu fernen Planeten, Sternen und Galaxien - die Raumfahrttechnik in „Guardians of the Galaxy“ scheint unerreichbar zu sein. Doch wo befindet sich die Grenze zwischen Science-Fiction und Ingenieurskunst? Wie wahrscheinlich ist es, dass wir die gezeigten technischen Errungenschaften konzipieren werden? Und sind diese aus physikalischer Sicht überhaupt denkbar? Was heute unmöglich scheint, kann morgen schon zur Realität werden, wie die rasante Entwicklung der Raumfahrt in den 1960er Jahren bewies.
Als am 4. Oktober 1957 der Satellit Sputnik 1 als Zeuge des menschlichen Vordringens ins All die Erde umkreiste, war der politische Westen zwischen Erstaunen und Ungläubigkeit hin und her gerissen. Zu fantastisch, zu futuristisch schien es, dass die UdSSR das erste von Menschen gebaute Objekt in die Erdumlaufbahn gebracht hatte. Bereits einen Monat später, am 3. November 1957, wurde die Hündin Laika als erstes Lebewesen mit der sowjetischen Trägerrakete R-7 erfolgreich in den Erdorbit geschossen. Durch ihre Reise wurde der Grundstein der bemannten Raumfahrt gelegt. Bald darauf umrundete Juri Gagarin im Raumschiff Wostok 1 als erster Mensch die Erde und auch Valentina Tereschkowa, die erste Frau im All, setzte neue Meilensteine für die Menschheit. [1]
Die Flüge der Wostok-Raumschiffe bewiesen, dass es nicht nur möglich war, einen Menschen in den Orbit zu bringen, sondern auch, bei einem Rendezvous im All ein Kopplungsmanöver zweier Raumschiffe durchzuführen. [1]
Als schließlich Alexej Leonow am 18. März 1965 den ersten Weltraumspaziergang absolvierte, war bereits ein neues Ziel in den Fokus der Weltraummächte gerückt: der Mond. [2]
Schon 1961 hatte der US-Präsident John F. Kennedy in seiner berühmten Rede vor dem Kongress die Orientierung der National Aeronautics and Space Administration zum Erdtrabanten hin gefordert und den Geist des Wettlaufs in den Weltraum auf den Punkt gebracht: „Wir wollen in diesem Jahrzehnt zum Mond gelangen und die anderen Dinge tun, nicht weil sie leicht sind, sondern weil sie schwierig sind ... ‘“. [3]
Während die UdSSR ihr Weltraumprogramm aufgrund von Komplikationen bald nach Beginn des Rennens zum Mond umorientierte, vollzogen die USA im sogenannten GeminiProgramm und in den Apollo-Missionen vorbereitende Manöver. Hierbei wurde beispielsweise das Lunar-Orbit-Rendezvous trainiert. Dabei handelt es sich um die Trennung des mehrmoduligen Raumschiffs, bestehend aus dem Command- and Service-Module (GSM), welches im Mondorbit verblieb, und dem Lunar Module (LM), das letztlich auf der Mondoberfläche landen sollte, um nach Beendigung des Einsatzes der Astronauten wieder in den Mondorbit aufzusteigen und an das CSM anzukoppeln. Nach dem Transfer von Besatzung und Fracht ins CSM wurde das LM zum Absturz gebracht. Die GeminiFlüge setzten ebenfalls neue Maßstäbe für die Raumfahrt: Gemini 5 bewies mit dem achttägigen Aufenthalt im Weltall, dass ein Flug zum Mond theoretisch möglich war, die Mondumrundung des Folgeprogramms Apollo 8 lieferte den praktischen Beweis. [4]
Am 20. Juli 1969 kulminierte der Wettlauf zum Mond in der spektakulären Landung von Apollo 11 auf dem Mond. Dem Touchdown des Lunar Modules Eagle folgten um 02:56 Uhr UTC Neil Armstrongs und Buzz Aldrins historischen ersten Schritte auf dem Mond. [5, 6]
Die UdSSR hatte, während Amerika auf die Mondlandung hinarbeitete, ihren Fokus auf die Nutzung des Erdorbits verschoben. Deshalb wurde bereits im April 1971 die erste Raumstation Saljut 1 in den Orbit geschossen und sechs Wochen später von der Besatzung des Raumschiffs Sojus 11 bezogen. Bis 1986 wurden insgesamt sieben bemannte Saljut-Raumstationcn betrieben, die den Weg für die heutige Internationale Raumstation ISS ebneten. Das amerikanische Äquivalent Skylab war von 1973 bis 1979 in Betrieb. [6]
Nachdem der erste Handschlag im All zwischen Amerikanern und Sowjets 1975 den Frieden im Weltraum besiegelt hatte, war der Weg für gemeinsame Missionen frei. Auch Europa trug nun mit der European Space Agency seinen Teil zur Raumfahrt bei. Exemplarisch für die ersten Schritte der Zusammenarbeit steht beispielsweise das Spacelab der ESA, das erstmals 1983 mit dem Spaceshuttle Columbia der NASA in den Orbit transportiert wurde. [7]
Ebenso setzten die Mir-Shuttle-Missionen der 1990er Jahre ein Zeichen für die Beilegung des Konflikts.
Heute ist die Internationale Raumstation ISS seit mehr als 20 Jahren ein ständiger Außenposten der Menschheit im All und Astronauten aus 18 verschiedenen Ländern forschen und experimentieren auf ihr. [8]
Diese Zusammenfassung der Geschichte der bemannten Raumfahrt zeigt, wie beispielsweise politische Faktoren die technische Entwicklung beschleunigen können. Im Zuge dessen soll erörtert werden, ob die im Universum der „Guardians of the Galaxy“ gezeigten technischen Eigenschaften der Raumschiffe physikalisch möglich sind und somit in absehbarer Zeit in die Realität umgesetzt werden können.
2 Untersuchung des Raumschiffs Milano
2.1 Die Milano
Die Raumschiffe in den Filmen und Comics der Reihe „Guardians of the Galaxy“ stechen sowohl durch ihre einer entfernten Zukunft entsprungenen technischen Besonderheiten als auch durch ihre Eigenschaften hervor. Scheinbar mühelos lassen sie die Gravitationsfelder von Planeten, Sternen und Galaxien hinter sich und legen Millionen von Lichtjahren umfassende Distanzen zurück. Insbesondere die Milano, das Raumschiff des Hauptcharakters Peter Quill, ist mit Apparaturen ausgestattet, die die Raumfahrt augenscheinlich zu einem Kinderspiel machen. Er und die vier anderen Mitglieder seiner Crew, Gamora, Drax „The Destroyer“, Rocket Raccoon und Groot, überwinden so Raum, Zeit und die Gesetze der Physik, um den Kosmos vor universalen Gefahren zu beschützen.
2.2 Berechnung der 3. kosmischen Geschwindigkeit
Zu Beginn des Films „Guardians of the Galaxy - Vol. 1“ stielt Quill einen InfinityStone vom Exoplaneten Morag, um ihn an den intergalaktischen Dealer „The Broker“ zu verkaufen. Nachdem er das Objekt entwendet hat, begibt er sich auf den interstellaren Flug von Morag, der sich im binären Sternsystem M31VJ00443799—4129236 befindet, zum Exoplaneten Xandar, der im binären Sternsystem M31VJ00442326—4127082 zu finden ist. Beide Systeme existieren in der Realität und sind in der Andromedagalaxie zu lokalisieren. [9,10]
Es stellt sich die Frage, welche Geschwindigkeit die Milano erreichen muss, um diesen Flug ausführen zu können. Bei dieser Problemstellung handelt es sich um ein sogenanntes Vierkörperproblem. Das bedeutet, dass eine exakte Bestimmung dieser Geschwindigkeit unmöglich ist, da dafür gleichzeitig die gravitativen Einflüsse von vier Körpern in Betracht gezogen werden müssten. Somit kann lediglich eine ungefähre Annäherung an die genaue Geschwindigkeit ermittelt werden. Zudem bezieht sich die zu errechnende Geschwindigkeit auf ein idealisiertes Sternsystem, da Größen wie Morags Rotation um die eigene Achse oder die Möglichkeit, Swing-by-Manöver zur Aufnahme von Geschwindigkeit zu nutzen, außer Acht gelassen werden.
Um die Frage nach der Fluchtgeschwindigkeit zu klären, müssen zunächst einige Grundannahmen etabliert werden. Da die dargestellten Verhältnisse auf Morag, beispielsweise die Fallbeschleunigung, denen der Erde entsprechen, werden Radius, Masse und Ortsfaktor des fiktiven Planeten mit den entsprechenden Daten der Erde gleichgesetzt. Diese Annahme ist durch die direkte Proportionalität von Gravitationskraft und Masse respektive die indirekte Proportionalität von Gravitationskraft und Radius gerechtfertigt.
Des Weiteren ist eine Einordnung von Morag in eine der verschiedenen Klassen von Exoplaneten vonnöten. Der Begriff „extrasolarer Planet“ bezeichnet alle Planeten, die sich außerhalb unseres Sonnensystems befinden. Exoplaneten, die zu einem Binärsternsystem gehören, gliedern sich in zwei Unterarten: Die Planeten vom S-Typ und die zirkumbinären Planeten, die zum P-Typ gehören.
Die Zugehörigkeit zum S-Typ setzt voraus, dass der Planet sich nur um den massereicheren der beiden Sterne bewegt, der masseärmere Stern bewegt sich hier in weiter Entfernung gemeinsam mit dem großen Stern um das Baryzentrum.
Wie der Name bereits impliziert, bewegen sich Planeten vom P-Typ in so weiter Entfernung um ihr Doppelsternsystem, dass die zwei Sterne gravitativ als ein einziger Stern betrachtet werden können. Dies ist beispielsweise bei den beiden 2012 vom Weltraumteleskop Kepler entdeckten Exoplaneten des Doppelsternsystems Kepler-47 der Fall. [11]
Da die beiden Sterne des betrachteten Systems eine Masse von 21,7 beziehungsweise 15,4 Sonnenmassen haben (Abbildung 1), ist es sinnvoll, den Exoplaneten Morag als zirkumbinären P-Planeten einzuordnen. Somit werden die zwei Sterne im Folgenden wie ein Stern behandelt, dessen Masse die Summe der beiden Sternmassen beträgt. Zudem wird angenommen, dass der Bahnradius der Ellipse, auf der sich Morag nach dem 1. Keplerschen Gesetz um die zwei Sterne bewegt, zum betrachteten Zeitpunkt deren großer Halbachse entspricht. Es gilt: M = MPrimary + M Secondary und r = a.
Um ein Raumschiff auf einen interstellaren Flug zu senden, muss dessen kinetische Energie ausreichend groß sein, um sowohl dem Gravitationsfeld des Startplaneten als auch dem der Sterne zu entfliehen. Die dafür benötigte Geschwindigkeit ist als 3. kosmische Geschwindigkeit bekannt. Deshalb soll zunächst die Fluchtgeschwindigkeit des Planeten Morag bestimmt werden, also die Geschwindigkeit, die die Milano aufbringen muss, um der Gravitation des Planeten zu entkommen. Diese wird als 2. kosmische Geschwindigkeit bezeichnet. Die veränderliche Geschwindigkeit eines Körpers der Masse m, der sich auf einer elliptischen Bahn um einen Körper der Masse M bewegt, lässt sich mit der folgenden Formel berechnen:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Da in diesem Fall die große Halbachse a dem Radius des Planeten Morag entspricht, lässt sich die Formel verkürzen zu:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Nun kann unter Verwendung der selben Formel die Fluchtgeschwindigkeit der zwei Sterne ermittelt werden, wobei der Radius sich aus der Summe der aus Abbildung 1 entnommenen Radien der zwei Sterne ergibt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Für die Ermittlung der 3. kosmischen Geschwindigkeit muss in Betracht gezogen werden, dass die Milano in Bezug auf das Sternsystem zusätzlich zu ihrer Startgeschwindigkeit die Geschwindigkeit des Exoplaneten Morag auf seiner Umlaufbahn um die Sterne vMorag nutzen kann - diese muss folglich von v3 subtrahiert werden.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Die Differenz Av aus Fluchtgeschwindigkeit des Sternsystems v 2 ,Sterne und Morags Bahngeschwindigkeit vMorag beträgt somit:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Diese Formel lässt sich auch auf die kinetischen Energien anwenden, die die Milano beim Erreichen der jeweils zugehörigen Geschwindigkeit hat. Es gilt:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Diese Formel kann schließlich nach der gesuchten 3. kosmischen Geschwindigkeit aufgelöst werden.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Insgesamt muss die Milano eine Geschwindigkeit von 698 aufbringen, um von Morag nach Xandar fliegen zu können. Verglichen mit der 3. kosmischen Geschwindigkeit unseres Sonnensystems ergibt sich, dass die Fluchtgeschwindigkeit des binären Sternsystems M31VJ00443799—4129236 über 40 mal höher ist.
2.3 Reale Umsetzung der Milano
Im Anschluss an die Ermittlung der Geschwindigkeit, welche die Milano theoretisch für einen interstellaren Flug aufbringen muss, soll nun der Fokus auf die praktische Umsetzung gelegt werden. Für die Beleuchtung dieser Fragestellung lohnt sich ein Exkurs in das Gebiet der Raketen- und Raumfahrttechnik.
In der Realität ist ein Raumgleiter nach Vorbild der Milano, welcher ohne Berücksichtigung von Faktoren wie Treibstoff, Startinfrastruktur oder Ermüdungserscheinungen scheinbar unendlich oft einsetzbar ist, unmöglich zu konstruieren. Dies liegt zum einen an den extremen Bedingungen, denen ein Raumschiff bei Start und Wiedereintritt in die Atmosphäre ausgesetzt ist, zum anderen an den Grundgesetzen der Physik, die den Traum vom ultimativen Raumschiff nicht über das Stadium der Fiktion hinauswachsen lassen.
Doch wie gehen heutzutage Flüge ins Weltall vonstatten? Wenn beispielsweise eine Astronautencrew an Bord der ISS gebracht werden soll, so geschieht das durch das Montieren des mehrmoduligen Raumschiffs über der Oberstufe einer großen Rakete. Ob Saturn-5, Ariane oder Proton-Rakete, das Funktionsprinzip ist immer das selbe:
Nach dem Impulserhaltungssatz bewirkt der Ausstoß eines Teilchens der Masse m mit der Geschwindigkeit v eine Geschwindigkeitsänderung Av der Rakete der Masse M in die entgegengesetzte Richtung. Da eine einstufige Rakete nicht genügend Schub entwickeln könnte, um das Raumschiff durch die Atmosphäre bis in den Orbit zu bringen, werden mehrere Stufen aufeinander gebaut. Jede der Stufen befördert das Raumschiff inklusive der restlichen Stufen einen Teil der Strecke hinauf und wird nach Erfüllung ihrer Aufgabe abgesprengt, sodass sie auf die Erde zurückfällt oder vorher in der Atmospäre verglüht. Je größer der Abstand zum Boden wird, desto schneller kommt die Rakete voran, da sie nicht nur einen immer geringer werdenden Luftwiderstand überwinden muss, sondern sich auch durch das Verbrennen des Treibstoffs ihre Masse reduziert. Im Weltall selbst ist schließlich eine wesentlich geringere Schubkraft und folglich eine geringere Menge Treibstoff nötig, um das Raumschiff zu steuern, da dort durch das annähernde Vakuum kaum Widerstand herrscht. Nach Abschluss der Mission erfolgt die Rückkehr der Crew auf die Erde. Diese kann entweder durch einen kontrollierten oder einen ballistischen Wiedereintritt des Wiedereintrittsmoduls durch die Atmosphäre erfolgen. In beiden Fällen wird die Kapsel nach Durchquerung der Atmosphäre durch das Entfalten mehrerer Fallschirme gebremst, unabhängig davon, ob eine Landung im Wasser oder an Land erwünscht ist. Bei letzterer erfolgt eine Sekunde vor Bodenkontakt eine letzte Zündung der Triebwerke in die dem Fall entgegengesetzte Richtung, um die Wucht des Aufpralls zu minimieren.
Nach der grundsätzlichen Darlegung des Prinzips von Start und Landung eines Raumschiffes kann sich nun der konkreten Umsetzung im gegebenen Beispiel zugewandt werden. Durch ihre stromlinienförmige Gestaltung erinnert die Milano an das Space-Shuttle der NASA, das als erstes wiederverwendbares Raumschiff in der Geschichte der bemannten Raumfahrt Chancen und Probleme eines mehrmals startbaren Systems offenbart hat. Obwohl das Columbia-Unglück und das Challenger-Disaster tiefliegende Fehler in der Vision des unbegrenzt nutzbaren Raumschiffs aufdeckten, ist das Space-Shuttle das der Milano ähnlichste Raumfahrtsystem und kann dementsprechend als Grundlage für eine Modellierung in der Realität verwendet werden. Neben der Form sprechen auch die Besatzungszahl, die Abmessungen und die flugzeugähnliche Landung des Shuttles für diese Abstraktion.
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